汽车尾气温差发电技术的发展和现状分析 2大学论文.docx
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汽车尾气温差发电技术的发展和现状分析2大学论文
汽车尾气温差发电技术的发展和现状分析
摘要:
汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一,伴随着汽车工业的发展,车辆消耗的能源也与口俱增,利用发动机余热发电不仅是解决能源问题的一个有效途径,也是一个很好的节能途径。
我国的汽车拥有量在逐年增长,伴随着汽车使用所产生的大量尾气污染者大气环境,所以,环保问题日趋严峻。
汽车尾气温差发电既能解决环境污染问题,又能发电,同时解决汽车用电量紧张的问题。
引起国内外科研工作者不断的探索。
本课题是基于汽车尾气余热回收的温差发电研究,主要研究内容是如何提高温差电模块热电转换效率和集热器集热效率,以提高尾气总的回收利用率。
关键词:
温差发电;环保;效率;
Developmentandpresentsituationanalysisofautomobileexhausttemperaturedifferencepowergenerationtechnology
Abstract:
Theautomobileindustryisoneofthepillarindustriesofournationaleconomy.Energyconsumptionbyvehiclesisincreasingwiththedevelopmentofautomobileindustry.Powergenerationusingenginewasteheatisaneffectivewaytosolvetheenergyproblemandalsoagoodwayofsavingenergy.Theautomobileindustryisoneofthepillarindustriesofournationaleconomy.Energyindustry.consumptionbyvehiclesisincreasingwiththedevelopmentofautomobilePowergenerationusingenginewasteheatisaneffectivewaytosolvethe.
Keywords:
Thermoelectricpowergeneration;environmentalprotection;
efficiency
目录
第一章绪论.............................................1
1.1研究背景和意义.......................................1
1.2研究现状及发展态势....................................1
1.3前人的研究成果举例....................................2
1.4本论文的工作.........................................2
第二章温差发电理论基础....................................4
2.1温差发电基本效应.....................................4
2.1.1赛贝克效应.........................................4
2.1.2珀尔帖效应..........................................4
2.1.3汤姆逊效应..........................................5
2.1.4焦耳效应...........................................5
2.1.5傅立叶效应..........................................6
2.1.6开尔文关系式........................................6
2.2温差发电的性能衡量标准.................................6
2.2.1热电转换效率........................................7
2.3温差发电的发展及应用...................................9
2.3.1温差发电模块........................................9
第三章高效分段级联温差电单偶优化设计........................10
3.1温差发电的半导体材料..................................11
3.2高效分段温差电单偶仿真优化..............................11
3.2.1模型建立..........................................11
3.2.2优化仿真..........................................12
3.2.3优化结果..........................................12
3.2.4结论.............................................12
3.3高效分段一级联温差电单偶仿真优化.........................12
3.3.1模型建立..........................................13
3.3.2优化仿真..........................................14
3.3.3结果分析..........................................16
3.4小结...............................................16第四章集热器仿真设计.....................................17
4.1换热原理简介.........................................17
4.1.1换热器概述.........................................17
4.1.2对流换热概述.......................................18
4.2不同翅片的集热器仿真..................................18
4.2.1仿真模型..........................................19
4.2.2四种不同齿片的集热器模拟结果..........................23
4.2.3结果分析..........................................33
4.3实验模型仿真.........................................34
4.3.1实验模型简述.......................................34
4.3.2实验模型模拟结果....................................35
4.3.3结果分析..........................................36
第五章结论.............................................36
参考文献...............................................38致谢..................................................40
第一章绪论
1.1研究背景及意义
城市现代化的迅速发展使得能源的需求量大大增加,导致能源非常紧缺,成为限制某些地区发展的瓶颈。
虽然我国能源储量总体比较丰富,但由于我国历来人口众多,使得我国的剩余资源储量严重不足,因此节约能源是当务之急[1]。
如果将汽车排气余热转换为电能并用于推动汽车,将可以减少燃油消耗,从而在一定程度上节约能源。
温差发电正是一种利用余热废热将热能转换为电能的很有效方式,目前温差发电技术在国外已得到广泛研究,而在我国处于刚刚起步阶段[2]。
汽车工业作为我国国民经济的支柱产业之一,随着车辆的不断增加,消耗的能源与日俱增,所以车辆的节能备受关注。
因此,利用发动机余热发电不仅是解决能源问题的一个有效途径,也是一个很好的节能途径。
依目前技术来看,汽车的动力转换效率仅40%左右,燃油中有多达60%左右的能量没有得到有效利用,其中发动机排气所带走的热量占燃料燃烧热量的30%-45%左右,用于冷却的热量占30%左右,这些能量绝大部分以余热的形式散失到空气中,造成了巨大的能源浪费[3]。
另外,汽车发动机的排气压力大,温度高,排气温度可达800℃左右。
如果将这些浪费的热量用来进行温差发电,不仅可以节约能源,还会提高热效率,同时温度降低也会使排气压力减少,从而降低汽车噪声电平,使汽车消音器的结构更加简化紧凑。
因此,利用汽车余热发电可提高汽车的整体性能。
汽车尾气的热量散发到空气中是巨大的能源浪费,倘若将这些能量的好好利用利用起来,一定会带来良好的社会效益和可观的经济效益[4]。
1.2研究现状及发展态势
塞贝克效应于1821年被发现以来,由于受热电转换效率低的制约和成本高的限制,温差发电技术主要应用尖端领域。
近几年来,世界上一些发达国家进行了相关研究,温差发电技术在德国已被作为战略技术得到了大力支持。
温差发电是将余热废热转换为电能的有效方式,近年来世界许多国家高度重视,德国大众汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收12%的热量,西班牙研制的排气温差发电器可以回收36%的热量[5]。
由于我国的能源短缺,利用率也较低,因此,节能降耗非常必要,温差发电技术具有许多优点,尤其在低品位热能利用方面具有其独特的优势和良好的应用前景[6]。
温差发电技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接转换的绿色能源,对我们发展循环经济、建设节约型社会具有重大意义。
半导体温差发电的如图1所示。
它是由两种不同类型的半导体构成回路,当半导体的一端处于高温状态,另一端置于低温状态时,两端便形成温差,从而产生直流电压(塞贝克效应)[7]。
汽车尾气温差发电装置工作原理是将热电模块布置在废气通道箱体和冷却水通道之间,在发电片的两端分别产生冷源和热源,两端之间的温度差随即产生电能。
图1半导体温差发电原理示意图
1.3前人的研究成果举例
国内,东北大学董桂田以国产解放牌汽车CA141为例进行了排气余热的温差发电研究[8]。
该车发电机输出功率为350W,额定电压为14V,额定电流为25A。
理论计算表明,当高温热源为600℃,低温热源为200℃,使用1060个蹄化铅热电偶(此条件下个热电偶产生的温差电动势为0.232V)时,只要有26660J/s的排气余热就可转换得到与原发电机输出相等的电量。
通过试验测得该车发动机在要求的最低转速时流量和温度均能满足理论计算的要求。
由此说明利用汽车尾气余热的温差发电具有实用性。
1.4本论文的工作
(1)通过查阅关于汽车尾气温差发电方面的书籍和文献资料,理解温差发电的基本原理,各部分的构造以及结构配置尽可能的找出影响温差电模块热电转换效率和集热器集热效率的因素。
(2)在影响温差电模块性能各个参数一定的条件下,采用ANSYS热分析软件中的热电藕合模块对分段和级联两种基本结构进行模拟仿真。
(3)性能恒定的条件下,增大温差是提高热电转换效率的一种有效方法,所以,寻求散热性能较好的散热器和集热性能较好的集热器是本文的主要任务。
主要对连续平直翅片等四种不同翅片结构的集热器进行模拟,得到其集热性能和传热阻力并进行比较。
第二章温差发电理论基础
2.1温差发电五个基本效应
温差发电指的是半导体热电材料的两端存在温度差时,而产生的热电效应,进而在半导体热电材料两端产生电动势的现象[9]。
温差发电的五个基本效应:
塞贝克效应,珀尔贴效应,汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应。
2.1.1赛贝克效应
塞贝克效应,它是温差发电技术的理论基础。
这一现象是德国物理学家塞贝克发现的。
原理如图:
△U=αAB(T2-T1)(2-1)
式中,
A,B两种不同的导体
T1,T2为结点△U―回路中的电动势,单位:
V;
αAB―两种导体材料的相对塞贝克系数,单位:
V/K;
T1,T2—结点1,2处的温度,单位:
K。
图2-1塞贝克效应示意图
2.1.2珀尔贴效应
珀尔贴效应是法国物理学家珀尔帖(C.A.Peltier)在1834年发现的与塞贝克效应相反的现象。
原理如图2-2所示
图2-2珀尔贴效应示意图
2.1.3汤姆逊效应
汤姆逊效应就是在有温度梯度的导体中通电,周围环境和导体之间将会进行能量交换的效应。
原理如图2-3所示
图2-3汤姆逊效应示意图
2.1.4焦耳效应
焦耳效应是在通电情况下单位时间内热量,即QJ=IR=I2ρl/S
式中,QJ——焦耳热;
I——通过导体的电流;
R——导体的电阻;
ρ——导体的电阻率;
l——导体长度;
S——导体横截面积。
2.1.5傅里叶效应
傅立叶效应为:
2.1.6开尔文关系式
综和上式可得一一开尔文关系式
(2-6)式称为开尔文第一关系式,(2-7)式称为开尔文第二关系式,开尔文关系式被称为热电效应的基本关系式。
2.2温差发电的性能衡量标准
表征温差发电性能的参数主要是指热电转换效率。
2.2.1热电转换效率
温差发电器的热电转换效率定义为:
式中,η一一温差发电器的工作效率;
P一一温差发电器的输出功率,单位:
W;
QH一一温差发电器从热源吸收的热量,单位:
W。
由珀尔帖效应知,温差发电器在单位时间内抽取的珀尔帖热为αNPTHI;另外,由于冷、热端温差的存在,器件热端向冷端进行热传导的热流量为K(TH-TC);又电流I流过电阻为R温差电偶时,单位时间内在回路中产生的焦耳热为IR2,由于该焦耳热等量地传到器件的热端和冷端,所以单位时间内返回热端的焦耳热为0.5IR2,综上可得,发电器热端从热源吸收的热量是珀尔帖热、传导热和焦耳热三部分的总和,建立热平衡方程得:
式中,QH,一一温差发电器热端吸收的热量,单位:
w;
αNP一一半导体器件的赛贝克系数,单位:
v/x;
TH,Tc一一热端和冷端温度,单位:
K;
K一一半导体器件总的导热系数,单位:
W/K;
I一一回路电流,单位:
A;
R一一半导体器件的内阻,单位:
Ω
综合上式,可得半导体温差发电器的工作效率为:
式子可简化为:
由(2-23)式可以看出,对于材料一定,温差一定的情况下,工作效率是m的函数。
若令dη/dm=0,则可求得当负载电阻RL和温差电器件内阻R的比值满足以下关系时,
温差发电器具有最大的工作效率,其值为:
而当m=RL/R=1,即温差发电器取得最大输出功率时,其工作效率为:
比较取得最大输出功率和最大工作效率的条件m=RL/R=1和
:
可以看出,两者同时取到最大值的可能性不大对于
这一条件,因与热电材料的Z值有关,难以实现。
所以应讨论取得最大输出功率时的工作效率。
2.3温差发电的发展及应用
2.3.1温差发电模块
温差电偶臂是温差电模块中最小的单位,有P型和N型两种[10]。
温差电单元是由一对P,N型温差电偶臂组成。
温差电偶普遍采用的是图2-5所示温差电偶结构。
图2-5温差电偶结构
1一温差电偶臂2一导流片
第三章高效分段级联温差电单偶设计
3.1温差发电的半导体材料
目前,在温差发电材料的研究中,已经实际应用于于热电器件的绝大部分是半导体热电材料[11]。
在不同的温度范围内优值较高的材料主要有以下几种,如表3.1所示.
3.2高效分段温差电单偶仿真优化
由上分析可知,热电转换效率主要决定于温差电材料的优值Z[12]。
确保获得最大的z值,从而提高了温差电偶的热电转换效率本文采用ANSYS软件有限元软件建立了基于P型BiSbTe\Zn4Sb3\CeFe4Sb12.N型Bi2Te3\CoSb:
分段温差电单偶。
3.2.1模型建立
低温用较成熟的Bi2Te3材料,高温用新型材料P-Zn4Sb3,P-CeFe4Sb12,N-CoSb3,其中P型Bi2Te3用制备的高优值ZT材料BiSbTe。
分段温差电单偶模型中,P型元件由三段组成,N型元件由两段组成,模型如图所示。
接触电阻和接触热阻分别由商用参数n=2pc/p=0.1,r=λ/λc=0.2得到.(pc,λc分别为接触电阻率和接触热导率,p,λ取各种材料的平均值)。
划分的网格如图
图3-2有限元网格划分图
3.2.2优化仿真
利用ANSYS软件对温差电元件长度比例、截面比、负载电阻等分别进行优化,先对热端为973K进行优化。
3.2.2.1长度比例优化
设P型温差电元件三种材料(BiSbTe\Zn4Sb3\CeFe4Sb12)的长度分别为LP1,LP2,LP3,N型温差电元件两种材料(Bi2Te3\CoSb3)的长度分别为LNl。
LN2。
优化结果为:
LP1:
LP2:
LP3=1.0:
0.5:
3.5,LN1:
LN2=0.3:
4.7。
此时转换效率为14.8%,输出功率为3.36W(截面比尚未优化)。
3.2.2.2截面比优化
P型温差电元件截面为5mmxWP,N型温差电元件截面为5mmxWN,其中WP=5mm保持不变,只对WN进行优化。
优值Z的定义式已由(2-8式给出,当满足(2-11)式时,Z取得最大值。
由于LP=LN,所以由(2-11)式可以算出P,N型温差电元件截面比(pP,pN,λP,λN均由平均值得到),求得AN/AP=0.82。
所以,WN的理论优化值为4.1mm,此时转换效率为15.05%,输出功率为3.03W。
而WN的实际优化值为3.4mm,此时转换效率为15.1%,输出功率为2.72W(长度比已优化)。
转换效率与N型元件截面边长的变化关系如图。
图3-3转换效率与N型元件截面边长的变化曲线
3.2.2.3负载电阻优化
当温差电元件的长度比和截面比都取优化值时,算得理论匹配负载电阻R为8.82mΩ。
经过优化,当R为7.8mΩ时,效率取得最大值15.18%,此时输出功率为2.78W。
转换效率与负载电阻的变化关系如图。
图3-4转换效率与负载电阻的变化曲线
3.2.2.4接触电阻对转换效率的影响
当接触电阻按商用参数n=2pC/p=0.1给出时,接触电阻率PC为8.7x10-7Ωm,与温差电材料的平均电阻率p(1.74x10-5Ω.m)相比很小,所以对效率的影响不大[13]。
完全不考虑接触电阻时,转换效率为15.66%,接触电阻只使效率降低了0.48%。
提出只有当单个电偶臂的接触电阻小于20μ.Ωcm2时,转换效率才不会降低太多。
其测得的接触电阻小于5μ.Ωcm2。
若取5μ.Ωcm2,可算得接触电阻率PC为1.25x10-6Ω.m,优化后的转换效率为15.15%,与采用商用参数得到的转换效率非常接近。
因此降低接触电阻可以提高转换效率。
3.2.2.5高优值P型BiSbTe
采用制备的高优值ZT材料P-BiSbTe得到的最大理论转换效率为15.66%,当接触电阻按商用参数给出时,转换效率为15.18%,当单个电偶臂的接触电阻为150μ.ΩCm2时,转换效率为12.88%。
当用中的P-Bi2Te3时,得到三种情况下的转换效率分别为15.13%,14.67%,12.43%,效率分别降低了0.53%,0.51%,0.43%。
可见,高优值ZT材料P-BiSbTe并没有使效率提高。
3.2.3优化结果
用同上的方法对热端分别为其他三个温度进行优化。
由图可以看出,随着热端温度降低,分段温差电元件低温端材料长度比例逐渐增大,P型元件尤为明显[14]。
当热端温度为673K时,P型温差电单偶只分两段。
当保持P型截面不变的条件下,只对N型截面进行优化,在热端温度为973K,873K,773K时,优化的N型截面并无大的变化,这是由于高温端材料的热导率较大,起到主导作用,当热端温度降低时,得到的平均热导率无大的改变,由(2-11)式算得的理论截面比也基本相同,因此得到了几乎相同的优化截面比。
而当热端温度降到673K时,P,N型截面比变化很大,这是由于不再使用高温材料。
又因P型温差电元件的平均热导率相对N型小很多,由(2-11)式可得到P型截面积是N型截面积的近2倍,实际优化后达2.27倍,如表3-10
图3-5不同温度时的分段温差电元件优化结果图
3.2.4结论
1.由于较大的接触电阻可以在很大程度上降低转换效率,所以应设法减少接触效应的影响。
2.模拟计算时采用平均值,与实际有一定差距。
因此,不能一味追求最大的转换效率,还要考虑输出功率的变化。
3.若能更好的N型低温材料,效率将会有很大提高。
3.3高效分段一级联温差电单偶仿真优化
为了在大的温度范围内得到更高的热电转换效率,目前已发展了分段和级联两种结构,在低温298K、高温973K的条件下效率可达到15%。
图3-6(a),(b)分别是分段和级联温差电元件结构图。
由图中可以看出,所有热电材料均可用于级联结构[15]。
由此,采用分段与级联相结合的折中法是较好的选择。
3.3.1模型建立
高中低温材料分别用较成熟的SiGe,PbTe,BiTe材料,其中P型Bi2Te3制备的高优值ZT材料BiSbTe。
中低温材料Bile,PbTe采用分段结构,高温材料SiGe与中低温材料进行级联。
模型如图3-7所示:
(a)分段温差电元件(b)级联温差电元件
图3-6分段温差电元件与级联温差电元件结构示意图
图3-7分段一级联温差电单偶模型
所建模型中,划分的网格如图3-8。
3.3.2优化仿真
由于材料的热电特性是温度的函数,根据所选材料,取其优值最高的温度间,P-Bile,P-ZnSb,N-Bile,N-PbTe的温度区间分别为298K-498K,498K-673K,298K-373K,373K-673KoP-Site,N-Site温度区间均为673K-973K。
先对中低温分段结构进行优化,然后将其与高温材料组成的级联结构进行优化。
3.3.2分段结构优化
将(3-1)式和(3-2)式作为依据,分别对长度比和截面比进行优化(Pp,PN,λp,λN均由平均值得到)。
优化中分段结构总长度5mm,截面5mmx5mm。
优化结果为:
LP1:
LP2=3.25:
1.75,LN1:
LN2=0.6:
4.4,AP:
AN=5:
4.8,RO1=13mΩ(LP1.LP2分别是P-BiTe,P-ZnSb的长度,LN1,LN2分别是N-BiTe"N-PbTe的长度)。
此时转换效率为10.88%。
优化结果如图3-9。
3.3.2.2高温材料温差电单偶转换效率
当高温材料SiGe的冷端温度为673K、热端温度为973K,
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